MAX17230/MAX17231：2V - 36V同步雙降壓控制器的深度解析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源管理芯片的性能直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。MAX17230/MAX17231作為一款具有集成升壓功能和低靜態(tài)電流的同步雙降壓控制器，在眾多應(yīng)用場(chǎng)景中展現(xiàn)出了卓越的性能。今天，我們就來(lái)深入探討這款芯片的特點(diǎn)、性能以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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一、芯片概述

MAX17230/MAX17231是汽車(chē)級(jí)三輸出開(kāi)關(guān)電源，集成了兩個(gè)同步降壓控制器和一個(gè)非同步升壓控制器，能夠提供多達(dá)三個(gè)獨(dú)立控制的電源軌。其輸入電壓范圍為3.5V - 36V，在升壓控制器激活時(shí)可低至2V，可生成3.3V/5V的固定輸出電壓，也能將輸出電壓編程在1V - 10V之間。該芯片采用電流模式控制架構(gòu)，可在脈沖寬度調(diào)制（PWM）或脈沖頻率調(diào)制（PFM）控制方案下運(yùn)行，并且具有多種保護(hù)功能，能確保在各種復(fù)雜環(huán)境下穩(wěn)定工作。

二、關(guān)鍵特性與優(yōu)勢(shì)

2.1 減少外部元件與成本

• 無(wú)肖特基同步操作：提高了效率并降低了成本，無(wú)需額外的肖特基二極管，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。
• 簡(jiǎn)單的外部RC補(bǔ)償：在任何輸出電壓下都能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行，減少了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和調(diào)試時(shí)間。
• 全陶瓷電容解決方案：實(shí)現(xiàn)了超緊湊的布局，適合對(duì)空間要求較高的應(yīng)用。
• 180°異相操作：降低了輸出紋波，使輸出電壓更加穩(wěn)定，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)電源，提高了電源的靈活性。

2.2 降低庫(kù)存壓力

• 固定輸出電壓精度高：提供±1%精度的5V/3.3V固定輸出電壓，也可通過(guò)外部電阻將輸出電壓調(diào)整在1V - 10V之間，滿(mǎn)足不同應(yīng)用的需求。
• 可調(diào)頻率與同步功能：頻率范圍為220kHz - 2.2MHz，支持外部同步，方便與其他電路進(jìn)行同步操作。

2.3 降低功耗

• 高效能表現(xiàn)：具有92%的峰值效率，在輕載和重載情況下都能保持較高的效率，降低了系統(tǒng)的功耗。
• 低靜態(tài)電流：關(guān)機(jī)時(shí)電流低至8μA（典型值），PFM模式下靜態(tài)電流為20μA（典型值），進(jìn)一步節(jié)省了能源。

2.4 可靠運(yùn)行

• 輸入電壓瞬態(tài)保護(hù)：能夠承受42V的輸入電壓瞬態(tài)，保護(hù)芯片免受電壓沖擊的影響。
• 多重保護(hù)功能：包括逐周期電流限制、熱關(guān)斷、電源過(guò)壓和欠壓鎖定、電源正常監(jiān)控等，確保芯片在各種異常情況下都能安全運(yùn)行。
• 降低EMI輻射：采用擴(kuò)頻控制技術(shù)，減少了電磁干擾，符合相關(guān)的電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)。

三、電氣特性詳解

3.1 電源電壓范圍

正常工作時(shí)，輸入電壓范圍為3.5V - 36V，在初始啟動(dòng)條件滿(mǎn)足后，升壓控制器可使輸入電壓低至2V。不同使能條件下的電源電流也有所不同，例如在所有使能引腳為低電平時(shí)，電源電流為8 - 20μA。

3.2 輸出電壓

Buck 1和Buck 2的固定輸出電壓分別為5V和3.3V，在PWM模式和跳頻模式下都有一定的精度范圍。同時(shí)，輸出電壓可在1V - 10V之間進(jìn)行調(diào)整，滿(mǎn)足不同的應(yīng)用需求。

3.3 開(kāi)關(guān)頻率

MAX17231的內(nèi)部振蕩器可調(diào)范圍為1MHz - 2.2MHz，MAX17230為200kHz - 1MHz。可通過(guò)連接電阻RFOSC到AGND來(lái)設(shè)置開(kāi)關(guān)頻率，并且芯片還支持外部時(shí)鐘同步，提高了系統(tǒng)的靈活性。

3.4 保護(hù)特性

芯片具有過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)和熱過(guò)載保護(hù)等功能。當(dāng)輸出電壓超過(guò)115%的調(diào)節(jié)輸出電壓時(shí)，高側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器會(huì)關(guān)閉；當(dāng)電感電流超過(guò)最大電流限制時(shí)，相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器會(huì)關(guān)閉；當(dāng)結(jié)溫超過(guò)170°C時(shí)，內(nèi)部熱傳感器會(huì)關(guān)閉芯片，待溫度下降20°C后再重新開(kāi)啟。

四、設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

• 有效輸入電壓范圍：為了實(shí)現(xiàn)固定頻率PWM操作和最佳效率，降壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)在連續(xù)導(dǎo)通模式下工作。電壓轉(zhuǎn)換比需滿(mǎn)足一定條件，否則會(huì)出現(xiàn)脈沖跳變。當(dāng)所需的電壓轉(zhuǎn)換不滿(mǎn)足條件時(shí)，可降低開(kāi)關(guān)頻率。
• 輸出電壓設(shè)置：通過(guò)連接FB1和FB2到BIAS可啟用固定輸出電壓，若要外部調(diào)整輸出電壓，可連接電阻分壓器。
• 電感選擇：電感的選擇需要考慮電感值、飽和電流和直流電阻。一般選擇30%的峰峰值紋波電流與平均電流比作為初始值，根據(jù)輸入電壓、輸出電壓、開(kāi)關(guān)頻率和紋波電流比來(lái)計(jì)算電感值。
• MOSFET選擇：應(yīng)選擇邏輯電平類(lèi)型的n溝道MOSFET，確保在 (V_{GS}=4.5V) 時(shí)有保證的導(dǎo)通電阻，同時(shí)要滿(mǎn)足最大漏源電壓和電流能力的要求。
• 電容選擇：輸入電容要能承受輸入紋波電流，輸出電容要滿(mǎn)足輸出紋波和負(fù)載瞬態(tài)要求，同時(shí)要考慮電容的ESR對(duì)穩(wěn)定性的影響。

4.2 升壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

• 輸出電壓設(shè)置：通過(guò)連接電阻分壓器從升壓轉(zhuǎn)換器的輸出到FBBST和TERM來(lái)調(diào)整輸出電壓。
• 電感選擇：電感大小的計(jì)算與開(kāi)關(guān)頻率和占空比有關(guān)，可根據(jù)輸入電壓、輸出電壓、開(kāi)關(guān)頻率和紋波電流比來(lái)確定電感值。為了避免右半平面零點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響，可增加紋波電流。
• MOSFET選擇：選擇邏輯電平類(lèi)型的n溝道MOSFET，滿(mǎn)足閾值電壓、最大漏源電壓和電流能力的要求。
• 二極管選擇：選擇能夠承受平均輸出電流和峰值電感電流的二極管，為了降低功耗，可使用肖特基二極管。
• 電容選擇：輸入電容要滿(mǎn)足輸入紋波要求，輸出電容要滿(mǎn)足輸出紋波和負(fù)載電流要求，可使用低ESR陶瓷電容和高值低成本鋁電容的組合。
• 分流電阻選擇：通過(guò)連接在電池和電感之間的電流感測(cè)電阻來(lái)設(shè)置電流限制，根據(jù)電流限制閾值和最大輸入電流來(lái)計(jì)算電阻值。

五、PCB布局建議

PCB布局對(duì)于實(shí)現(xiàn)低開(kāi)關(guān)損耗和穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。在布局時(shí)，應(yīng)盡量縮短高電流路徑，特別是接地端子；保持電源走線(xiàn)和負(fù)載連接短，使用厚銅PCB可提高滿(mǎn)載效率；通過(guò)連接CS_和OUT_來(lái)最小化電流感測(cè)誤差；將高速開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)與敏感模擬區(qū)域分開(kāi)，避免干擾。

六、總結(jié)

MAX17230/MAX17231以其豐富的功能、高效的性能和可靠的保護(hù)特性，為電子工程師提供了一個(gè)優(yōu)秀的電源管理解決方案。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇芯片的工作模式、設(shè)置輸出電壓和頻率，并注意PCB布局的細(xì)節(jié)，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。你在使用這款芯片的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。